Un paseo por las pilas de combustible Diagrama de una celda de combustible Aplicación para PC de pila de combustible Cómo obtener el hidrógeno?

Transcripción

1 Un paseo por las pilas de combustible La principal ventaja de este tipo de pilas reside en que funciona con combustible a diferencia de las pilas químicas y no deja de proporcionar energía hasta consumirlo. El combustible más utilizado en las pilas es el hidrógeno que, en combinación con el oxígeno, produce una reacción electroquímica de la que se extrae energía. El elemento mas abundante del universo, por increíble que parezca es el hidrógeno (incluyendo nuestro planeta), por lo que hay combustible de sobra, aunque hay extraerlo de terceros compuestos como puede ser las moléculas del agua, gas natural, petróleo, etc... Diagrama de una celda de combustible Aplicación para PC de pila de combustible Cómo obtener el hidrógeno? Existen multitud de formas y técnicas para sintetizar el hidrógeno, desde la más ecológica a la más contaminante. Se puede obtener mediante electrólisis del agua con energía eléctrica procedente por ejemplo de placas solares. También, mediante la descomposición del gas natural, la descomposición del aluminio, procesos con hidrocarburos, tratamiento de biomasa, descomposición de metano, aprovechamiento de procesos exotérmicos en centrales de refinado de crudo, etc De entre todas, la más limpia es mediante electrólisis siempre que para, producir la energía se utilicen fuentes limpias como por ejemplo la energía solar o la eólica.

2 Electrolizador industrial Electrolizador básico Para qué sirve una pila de combustible? El campo de utilización de las pilas de combustible es muy amplio, desde alimentar un PC portátil hasta la regulación del flujo eléctrico en centrales eléctricas. Hay otros métodos de almacenar energía, por qué utilizar entonces las pilas de combustible? Pese a que hay otros sistemas para generar energía, una de las propiedades de la tecnología del hidrógeno, es que es una fuente inagotable y limpia de energía cuyo único residuo es el agua, además tan solo se necesita agua para producir hidrógeno y éste se puede almacenar, por lo que se abre la posibilidad de prescindir del petróleo, al haber agua en todas partes del mundo, se permite el acceso a disponer de este recurso a todas las poblaciones del mundo, zonas en las que en la actualidad no hay desarrollo industrial ni social a causa de la falta de energía. Por poner un ejemplo, una zona aislada que disponga de agua y luz solar situada en cualquier parte planeta, puede generar su propio hidrógeno para gestionar su energía sin depender de los intereses energéticos y económicos de países terceros, por lo que puede desarrollar una industria, puede construir vehículos eléctricos y con ellos una red de transporte que permita fomentar el comercio, distribución de corriente eléctrica y en definitiva, desarrollarse. Es necesaria la síntesis del hidrógeno de manera limpia para evitar emisiones de CO2 a la atmósfera y frenar el efecto invernadero.

3 Campo eólico Gráfica de velocidad y dirección del viento Otro motivo para la utilización del recurso es que las centrales fotovoltaicas, y eólicas no tienen un flujo constante de energía, por lo que hace falta un dispositivo que pueda aportar energía en los momentos en los que la central no es capaz de suministrarlo por medios propios divido a las condiciones meteorológicas, como por ejemplo en un campo solar un día nublado o falta de flujo de aire en un campo eólico. Por otra parte desde el punto de vista del consumo, no siempre se exige la misma demanda. (No es lo mismo el consumo de una población en primavera a las 4 de la mañana que el consumo de esa misma población a las 22:00 en Noche Buena). Para suplir esos picos de demanda, se pueden utilizar pilas de combustible, y para regular la intensidad que generan dichas pilas se puede regular la concentración de hidrógeno por centímetro cuadrado en las pilas de combustible, o bien combinando distintas bancadas de pilas de combustible. Durante el tiempo que se está generando energía y hay recurso energético de sobra, como por ejemplo el viento que sopla por la noche a primera hora de la mañana en el caso de una central eólica, se puede utilizar el excedente de energía para producir hidrógeno mediante electrólisis y proceder a su almacenaje para compensar mas tarde una falta de flujo eólico, gracias a pilas de combustible estacionarias, esto por el momento se hace con la ayuda de volantes de inercia para aguantar el pico de consumo y grupos electrógenos de gasoil para compensar y mantener el flujo eléctrico requerido, al utilizar gasoil para los generadores se producen una serie de contaminantes, que se podrían evitar utilizando la tecnología del hidrógeno.

4 Depósitos de hidrógeno para la automoción Es viable introducir una pila de combustible en un vehículo eléctrico? La pila de combustible, se puede introducir en un vehículo eléctrico, el problema es la gestión del combustible. Para ello por el momento lo más factible es el aire a presión, (almacenar hidrógeno a 700 Bar). Parece que, tras las pruebas que se han realizado en el mundo de la automoción, se da como seguro que el vehículo eléctrico utilizará pilas de combustible, de hecho, las empresas más importantes del sector han desarrollado modelos de hidrógeno. Países como Japón, Estados Unidos e Islandia han construido a modo experimental hidrogeneras que utilizan el sistema de presión de gas para efectuar el repostado de los vehículos de hidrógeno y estos proyectos se están extendiendo a otros países. Cómo gestionar el hidrógeno? Sintetizar hidrógeno no sirve de mucho si no se puede gestionar, para poder gestionarlo de manera eficaz, por el momento la tecnología más desarrollada es el almacenaje en tanques de hidrogeno comprimido para su posterior transporte y distribución, utilizando bombonas a presión. Pero de ésta manera se pierde gran parte del volumen de transporte en el espacio que ocupan las bombonas, además del espacio que se desaprovecha al no poder comprimir al 100% el hidrógeno, otro problema añadido es la energía utilizada al comprimir el gas. Aunque por el momento es el más desarrollado, necesita mejorar. Otro método es transportarlo mediante tuberías de gas natural, pero hay un par de inconvenientes importantes: el hidrógeno, al ser un gas más ligero y menos denso que el gas natural, por lo que se requiere para transportar la misma cantidad de hidrogeno que se gas natural, mover mayor volumen aumentando la velocidad de envío o bien mover un menor volumen pero a mayor presión, con el fin de transportar la misma carga energética en el mismo tiempo. Analizando desde el punto de vista energético, la energía del hidrógeno por unidad de masa es mucho mayor que la del gas natural, pero el volumen del hidrógeno por mol, es mucho mayor que el del gas natural, por lo que para transportar la misma masa es necesario transportar mayor volumen, por lo que o se aumenta la presión o se acelera la velocidad del gas dentro de las tuberías. Otro problema es la incompatibilidad de materiales respecto a las actuales tuberías de gas natural, por lo que el transporte en la actualidad requiere una inversión multimillonaria por lo que sigue siendo caro.

5 Si llegara a emplearse en un futuro el hidrógeno de manera doméstica, es seguro que se modificarán las redes troncales de gas natural. Almacenaje mediante adsorción Se están investigando otras formas de almacenar hidrógeno mediante procesos de adsorción, utilizando para ello nanotubos de carbono y otros materiales como aerogeles y nanofibras. Por el momento la capacidad de adsorción no es muy elevada. Actualmente la cantidad máxima de hidrógeno almacenada es en torno al 3% en peso a temperaturas de 77K aunque se pretende alcanzar el 6% a medio plazo, a largo plazo podría llegar al 10% a temperatura ambiente. La técnica consiste en utilizar materiales formados únicamente por carbono enrollado en forma de cilindro, formando tubos con un diámetro del orden de nanómetros. La capacidad de almacenaje depende directamente de la superficie total del carbono utilizado. Almacenaje mediante absorción Otra línea de investigación se basa en la absorción de hidrógeno por parte de materiales tales como hidruros metálicos NaH, BeH2, CaH2, LiH, siendo los principales candidatos al almacenamiento de hidrógeno son los siguientes: TiFe-H2, LaNi-H6 y Mg2Ni-H4. El almacenamiento se produce de la siguiente manera: Al principio el metal está libre de hidrógeno. A una temperatura dada el hidrógeno se disuelve en la fase metálica aumentando la presión. Conforme aumenta la presión el hidrógeno va siendo absorbido por el material hasta que queda totalmente cargado. Para recuperar el hidrógeno, tan solo hay que aplicar calor. En el caso del Mg-H2 (Hidruro de magnesio) permite absorber un 7,6% en peso, pero se necesitan temperaturas de 300ºC para extraer e introducir el hidrógeno, lo que implica un consumo energético.

6 Para reducir la temperatura se preparan láminas de magnesio de unas pocas decenas de nanómetros de espesor Corte transversal lámina de magnesio 100nm sobre vidrio. La reducción a escala manométrica de los granos que forman las películas produce una aceleración de los procesos de absorción y desorción del hidrógeno (menores distancias de difusión del hidrógeno en el interior del magnesio, por ejemplo) así como una menor estabilidad del compuesto (debido a la elevada superficie existente) y, como consecuencia, una reducción de la temperatura necesaria para extraer e introducir el hidrógeno. Para hacer viable el almacenamiento del hidrógeno en este tipo de nano estructuras, es necesario sintetizar una mayor cantidad de material sin perder el carácter de nano estructura, esto es, en forma de nano partículas. Corte transversal lámina de magnesio 100nm sobre vidrio nano partículas de magnesio 5nm Cuáles son las mejores pilas de combustible?, aplicaciones. Depende del uso que se les vaya a dar, para las aplicaciones domesticas las mejores son las PEMFC, ya que son compactas y pequeño tamaño, en este tipo de pilas, la corriente que son capaces de suministrar es directamente a la superficie de la MEA de cada una de las células del stack mientras que la tensión o diferencia de potencial la marca el número de células que forman el stack, la pila permite aportar mayor energía aumentando la presión del combustible y el comburente pero el límite lo marca la presión que es capaz de soportar la MEA (Protón Exchange Membrane o membrana intercambiadora de protones), actualmente hasta un máximo de 4Bar ya que por encima de esta presión se produce deterioro de la membrana. Está previsto que se comercialice en breve una gama de pilas de consumo doméstico. Para los vehículos, también son una buena opción las PEMFC ya que solo requieren hidrógeno para funcionar, tomando el oxígeno del aire de la atmosfera. La pila, genera una temperatura de entre 80 y 90ºC, por lo que la gestión del calor residual es sencilla (en un vehículo), puede utilizarse como calefacción aunque ha de ir acompañado de otros sistemas de regulación de temperatura, ya que es insuficiente en países fríos. Respecto a los países más calurosos es necesario un sistema de aire acondicionado, lo que suma el consumo de hidrógeno por tanto la autonomía del vehículo. El consumo de un vehículo eléctrico está entre 10 y 16 Kw. Pueden ofrecer una eficacia energética del 60% mientras que los motores de explosión actuales consiguen un 25%. Para las centrales estacionarias, las mejores pilas por el momento son las de ácido fosfórico (PAFC), carbonato fundido (MCFC) y de óxido sólido (SOFC), ya que permiten

7 mayores cantidades de consumo en un espacio relativamente pequeño, además pueden tolerar una fuente de hidrógeno contaminada siendo posible la utilización de gas natural no reformado, gasoil o gasolina. El calor generado puede utilizarse para mover turbinas mediante vapor de agua. Para aplicaciones militares se usan pilas de combustible alcalinas, éstas requieren que tanto el oxigeno como el hidrógeno sea puro, pero a cambio, ofrecen una buena respuesta energética. Como nota curiosa, decir que estas son las pilas que se utilizaron para suministrar energía a las naves del proyecto Apollo, que por cierto en el Apollo 13 se produjo un accidente debido al comportamiento del oxígeno en un ambiente ingrávido, provocando una explosión que puso en jaque durante un as horas a los astronautas de la nave, el agua que bebían era la producida por la reacción electroquímica de la pila de combustible, mezclada con una serie de sales minerales. Otra de las posibles aplicaciones esta en los sistemas de backup de energía, por ejemplo en las estaciones de telefonía móvil, quirófanos servidores informáticos, etc Como se ha comentado anteriormente, mientras hay hidrógeno hay energía, tan solo ha de haber un buen deposito de hidrogeno. Para que el sistema de pila de combustible funcione correctamente es aconsejable utilizar sistemas anexos a la propia pila de combustible, tales como sistema distribuidor de energía, sistema de baterías, compresores, lógica de control y seguridad, tarjetas interfaces etc Ejemplo de pila de combustible en centro aislado: Supongamos una estación repetidora de vigilancia forestal en la que los equipos que hay instalados en su interior funcionan con un nivel de tensión de 48Vcc. La estación alberga equipos de telecomunicaciónes, un sistema de aire acondicionado diseñado para funcionar con un nivel de tensión de 48Vcc y una unidad de control de alarmas del centro que indica al centro de vigilancia y gestión el estado del centro. La estación repetidora se encuentra en un lugar aislado, por ejemplo en lo alto de un monte de difícil acceso (muy frecuente en los pirineos en invierno), por lo que si se produce una avería en el suministro de energía de red, el técnico va a tardar cerca de 5 horas en llegar, además se da el caso de que si falla la línea eléctrica, el suministrador tardará un plazo de 48horas en solucionar el problema. Por lo que el sistema ha de tener una gran autonomía. En este caso la solución más común pasa por instalar un grupo electrógeno que se pone en marcha cuando falla la tensión de red. Aún así supone un inconveniente ya que se encuentra en un paraje protegido y se ha de evitar la contaminación acústica. Los sistemas con baterías duran unas pocas horas, por lo que es aconsejable un sistema que no haga ruido, que no contamine y que mantenga la energía en el centro. Para lograr este fin se puede instalar una pila de combustible diseñada para la tensión estándar de 48Vcc y alimentarla con el hidrógeno almacenado en bombonas a alta presión. De tal manera que, si falla la energía, entra en funcionamiento el sistema de baterías (sin producir corte en el servicio) y cuando las baterías bajen de un nivel determinado

8 de tensión, entrará en funcionamiento el sistema de hidrógeno hasta que la red eléctrica se reponga. Un añadido a la instalación puede ser un aerogenerador y un sistema de placas solares, que en el caso de estar funcionando el sistema de red eléctrica, suministre energía a la propia red (esto se haría, meramente por motivos económicos ya que se paga mejor la energía suministrada de lo que vale la energía cobrada) y durante el tiempo que la red falle los sistemas de placa solar y aerogenerador suministren la energía de funcionamiento del centro, directamente a las baterías. Si en un futuro se desea y los estudios de intensidad de luz y viento lo permiten, se puede incluso prescindir del contrato con la compañía eléctrica. Centro aislado Nota: Para entregas energía a la red eléctrica hay primero que convertirla o adaptarla a las características que nos indique el suministrador utilizando para ello sistemas tales como un transformador y un ondulador de la potencia requerida. La carga de las baterías se realiza directamente desde el sistema de energía alternativo en el caso de fallo de red. Con el ejemplo anteriormente citado se cubre la necesidad de energía en un centro, utilizando la energía sobrante para su venta o llegado el caso para generar y comprimir más hidrógeno. De la misma manera se puede adaptar el sistema para la alimentación de una vivienda o incluso de una urbanización de chalets, centralizando los equipos de producción y distribución en un local comunitario reduciendo de esta manera el gasto individual de cada uno de los propietarios o vecinos.